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문제 정의
- 따라서 본 연구는 일단 서해 중부 EEZ 내에서 해수의 표층, 중층, 저층의 수질을 조사하는 광역적인 조사를 통해 조사 해역의 배경이 되는 해수 수질변화를 조사하고, 이와 함께 채굴선박 주변에서 혼탁류가 확산되어 가는 실질적인 과정을 추적하여 배경농도가 되는 자연적인 해양수질의 변화양상과 바다모래 채굴로 인한 해양 수질의 변화를 동시에 판단할 수 있는 해양수질 인자를 도출하는데 목적을 두었다.
- 본 조사 해역에서 바다모래 채굴로 인한 부유물질과 영양염의 확산 범위를 알아보고자 실제 바다모래 채굴 현장에서 시료를 얻었다. 시료는 2006년 4월에 ‘채굴구역’(2006.
가설 설정
- 따라서 실제 해양조사 시기와 바다모래 채굴 작업이 동시에 일어나지 않는다면 바다모래 채굴로 인한 조사결과는 비록 채굴지역의 바로 인접 정점이라 하더라도 채굴로 인한 영향이 민감하게 나타나지 않을 것으로 생각된다. 셋째, 실제 바다 모래 채굴 작업과 동시에 현장에서 조사가 이루어졌다 하더라도, 시료 채집시 매 조사 시기마다 조류의 속도가 각각 다를 경우 바다모래 채굴의 영향 범위가 다르게 나타날 수 있을 것이다. 비록 매 조사시에 현장에서 조류의 속도는 관측되지 않았으나, 각 조사 시기의 월령으로부터 상대적인 조류의 속도는 비교할 수 있을 것이다(Table 1).
- ORP의 경우 전 수층에서 ‘채굴구역’이 ‘비교구역’보다 더 낮은 값을 보였다(Table 5). 이러한 ORP의 분포는 두 구역간에 수심이나 저질의 구성 및 강물의 유입 등 별다른 환경적인 차이가 거의 없다는 점을 감안하면, 바다모래 채굴시 해저 퇴적물 내에 함유된 비교적 높은 농도의 유기물질이 해수로 방출되어 ORP의 소모를 유발했기 때문이라는 가설을 세울 수 있을 것이다.
제안 방법
- 수온과 염분은 CTD(SBE-19)를 이용해 관측하였다. pH와 산화환원전위(ORP)는 현장에서 직접 pH meter(IQ-400)와 ORP meter(IQ-400)를 이용해 측정하였다. 부유물질(SS)은 시료 500 ml를 GF/C 여과지로 여과한 후 건조기에서 103 ℃에서 1시간 30분 건조 후 함량을 측정하였다.
- 바다모래 ‘채굴구역’(Sand Mining Zone)은 실제 바다모래를 채굴하고 있는 선박 수백 m 근접한 거리에서 조사된 정점들이 해당되고, ‘비교구역’(Reference Zone)은 본 조사 해역의 가장 바깥쪽에 위치한 정점들로 설정했으며, 두 구역사이 지역을 ‘잠재적인 영향구역’(Potentially Affected Zone)으로 설정하였다(Table 2).
- 선상에서 니스킨 채수기를 이용해 채집된 시료는 즉시 드라이아이스로 냉동 시켜 실험실로 운반되었으며, 실험 전까지 -20 ℃에서 냉동 보관하였다. 수온, 염분, pH, 산화환원전위(ORP)는 현장에서 휴대용 측정기로 즉시 측정했으며, 부유물질, 암모니움염, 질산염, 아질산염, 인산염, 엽록소-a는 실험실에서 분석되었다.
- 수온과 염분은 CTD(SBE-19)를 이용해 관측하였다. pH와 산화환원전위(ORP)는 현장에서 직접 pH meter(IQ-400)와 ORP meter(IQ-400)를 이용해 측정하였다.
- 질산염은 Cd-Cu 환원법을 이용한 autoanalyzer를 이용하여 정량하였다(SYSTEA, FLOWSYS). 엽록소-a는 여과 후 여과지를 90% 아세톤과 1%의 탄산마그네슘 용액으로 냉장 추출하여 24시간 후에 원심분리기로 상등액을 분리하여 630, 647, 664, 750 nm에서 정량측정하였다. 정량측정은 분광광도계(UV-1750, SHIMADZU)를 사용하였다.
대상 데이터
- 바다모래 채굴 해역은 군산시 옥도면 어청도리 서남방 해역으로 EEZ 영해 경계선의 서측으로 최대 25 km 이내에 위치한다(Fig. 1). 본 해역에서 2004년부터 7개 골재채굴업체가 바다모래를 채굴하고 있다.
- 본 조사 해역에서 2007년 5월에 조사된 퇴적물 조성은 모래가 95%, 실트가 2%, 점토가 3%로 구성되어 있었으며, 퇴적물의 함수율과 강열감량 값은 평균 20.2%와 평균 1.0% 였다(군산대학교 새만금환경연구센터, 2007).
- 시료는 2006년 4월에 ‘채굴구역’(2006.8~2006.12까지 채굴 허가량: 500,000 m3)에서 바다모래를 채굴하는 선박으로부터 조류의 이동방향으로 혼탁류를 따라 이동하면서 약 200 m 간격으로 3정점, 이후 약 500 m 간격으로 3정점(DG1~DG6; Fig. 1의 별표로 표시된 정점들)에서 표층수, 중층수, 저층수를 채수하였다.
- 집중 조사는 본 조사 기간 중 총 5차례 수행 되었으며, 그 중 정점 수가 가장 많았던 2006년 4월 관측 자료를 분석하였다. 시료는 바다모래 채굴선박에서 배출되는 현탁류를 따라가면서 수층별로 집중적으로 채수하였고, 이를 분석한 자료를 평균한 후, 평균값에 표준편차 1, 2 및 3배 이상 크게 나타나는 범위를 Fig.
- 해수 시료는 군산대학교 해양조사선 해림2호를 이용해 2004년 6월, 2004년 10월, 2005년 2월, 2005년 5월, 2005년 7월, 2006년 4월, 2006년 9월, 2007년 5월에 표층, 중층, 저층에서 채수하였다. 각 정점 사이의 거리는 표층 조류의 이동 거리를 고려하여 4~5 km 내외로 정하였다.
데이터처리
- ‘채굴구역’과 ‘비교구역’ 사이의 각 항목들의 평균은 독립표본 t-test의 결과를 바탕으로 비교하였다.
- Table 3에 광역조사(‘비교구역’)의 결과를 정리하였으며, 총 8회에 걸쳐 관측된 수온, 염분, pH, ORP, 엽록소-a, 부유물질, 영양염의 평균 농도는 계절별로 그리고 수층별로 비교하였다(one-way ANOVA, α=0.05; Table 4).
- 바다모래 채굴 현장 주변의 평균농도 산정은 현장 주변의 정점들(B13, B15, B24, C5)에서 측정된 분석값을 평균함으로써 얻었다. 이 값에서 3배의 표준편차보다 크게 벗어난 값을 바다모래 골재 채취로 인한 영향 범위로서 설정하였다.
- 본 연구해역의 표층, 중층, 저층에서 분석된 각 항목들은 oneway ANOVA를 수행하여 비교하였다. ‘채굴구역’과 ‘비교구역’ 사이의 각 항목들의 평균은 독립표본 t-test의 결과를 바탕으로 비교하였다.
이론/모형
- 엽록소-a는 여과 후 여과지를 90% 아세톤과 1%의 탄산마그네슘 용액으로 냉장 추출하여 24시간 후에 원심분리기로 상등액을 분리하여 630, 647, 664, 750 nm에서 정량측정하였다. 정량측정은 분광광도계(UV-1750, SHIMADZU)를 사용하였다.
- 아질산염은 sulfanilamide solution과 naphthylethylene diamine dihydrochloride solution으로 반응시킨 후 543 nm에서 정량 측정 하였다. 질산염은 Cd-Cu 환원법을 이용한 autoanalyzer를 이용하여 정량하였다(SYSTEA, FLOWSYS). 엽록소-a는 여과 후 여과지를 90% 아세톤과 1%의 탄산마그네슘 용액으로 냉장 추출하여 24시간 후에 원심분리기로 상등액을 분리하여 630, 647, 664, 750 nm에서 정량측정하였다.
성능/효과
- 1. 암모니움염과 질산염은 대부분의 경우 ‘채굴구역’이 ‘비교구역’보다 높다.
- 2. 엽록소-a와 아질산염은 계절과 수층에 따라 ‘비교구역’과 ‘채굴구역’이 서로 높기도 하고 낮기도 한다.
- 3. 부유물질은 항상 ‘채굴구역’이 ‘비교구역’보다 높다.
- 4. ORP는 항상 ‘비교구역’이 ‘채굴구역’보다 높다.
- 다만 특징적인 것은 엽록소-a의 농도가 여름에 표층이 매우 낮은 반면 오히려 중층이 높다는 점이다. pH, ORP, 부유물질, 암모니움염은 모든 계절에서 수층별로 유의한 차이가 없었다. 따라서 이러한 계절적인 특징은 이 해역의 배경적인 특징이라고 볼 수 있고 이러한 사실을 바탕에 두고 바다 모래 채굴로 인한 영향을 판단해야 할 것이다.
- 결과적으로 본 해역에서 바다모래 채굴로 인한 영향을 감지할 수 있는 수질 인자는 부유물질, 질산염, 엽록소-a로 볼 수 있다.
- 채굴 선박에 근접한 ‘채굴구역’과 조사해역의 배경농도인 ‘비교구역’을 비교하여 평균 농도가 유의한 차이를 보인 환경인자들만을 Table 5에 정리하였다. 단 한번이라도 유의한 차이를 보인 수질 인자들은 부유물질, 암모니움염, 질산염, 아질산염, ORP, 그리고 엽록소-a 이였다. 이를 수질인자 별로 다시 정리하면, 1.
- 이렇게 발생된 현탁류의 이동 거리는 조류의 지속시간과 속도 그리고 난류 등에 의해서 영향을 받게되는데, Hithcock와 Drucker(1996)는 채굴로 인하여 very fine sand는 채굴 지역으로부터 11 km 이상, fine sand는 5 km 이상, medium sand는 1 km 이상, coarse sand는 50 m 미만으로 이동할 수 있음을 보고하였다. 따라서 채굴선박과 인접한 곳에서는 매우 높은 부유물질의 농도를 나타내며, 점차 멀어질수록 급격하게 감소할 것으로 생각된다. 이러한 현상은 본 연구의 집중 조사에서도 매우 잘 나타나고 있다.
- 6). 또한 이와 동시에 암모니움염, 질산염, 엽록소-a의 농도도 높게 나타났다(Fig. 7, 9, 11). 이러한 결과들은 부유물질, 암모니움염, 질산염이 다른 항목들보다 바다모래 채굴에 의해 즉각적으로 반응하는 민감한 해양 수질 인자임을 보여준다.
- , 2004), 바다모래 채굴시 공극수 내 용존철은 산소가 풍부한 해수와 접촉하여 산화된 후 방출된 인산염을 흡착하여 해수 내 인산염의 농도를 빠르게 감소시킬 수 있다는 보고가 있다(Jones and Lee, 1981). 본 집중 조사 시기에 인산염의 농도 분포를 보면, 다른 항목들과는 다르게 M+3SD 라인이 나타나지 않은 것은 아마도 인산염이 상기한 화학적인 과정을 통해 매우 빠르게 수중에서 제거되고 있음을 반영하는 것으로 판단된다(Fig. 4b).
- 수심별로 표층, 중층, 저층에서 각 항목별로 평균 농도를 비교해 보면(Table 3, 4), 봄에 인산염과 아질산염이 중층과 저층에서 표층보다 높았고, 다른 항목들은 수층별로 유의한 차이가 없었다. 여름에는 엽록소-a가 저층>중층>표층 순서로 높았고, 인산염, 아질산염 및 질산염은 중층과 저층이 표층보다 높았다.
- 7, 9, 11). 이러한 결과들은 부유물질, 암모니움염, 질산염이 다른 항목들보다 바다모래 채굴에 의해 즉각적으로 반응하는 민감한 해양 수질 인자임을 보여준다.
- 겨울에는 모든 항목들이 수층별로 유의한 차이가 없었다. 이상의 결과를 정리하면 겨울철에는 수층별 차이가 없고, 다른 계절에도 영양염은 중, 저층이 표층보다 높다는 점이다. 다만 특징적인 것은 엽록소-a의 농도가 여름에 표층이 매우 낮은 반면 오히려 중층이 높다는 점이다.
- 질산염은 모든 수층에서 겨울이 가장 높게 나타났다. 이상의 결과를 정리하면 계절별로 차이가 나타나지 않는 항목은 pH, 부유물질, 아질산염이며, 겨울에 높은 항목은 ORP, 질산염 및 인산염이고, 봄에 높은 항목은 엽록소-a이며 여름철에 낮은 항목은 암모니움염이다.
- 질산염의 범위 또한 표층에서 남쪽 방향으로 확장되는 범위를 보였으며, 결국 동서방향의 길이가 약 4 km, 남북방향의 길이가 약 4 km인 원형 분포를 보였다. 중층과 저층 모두 남쪽으로 확산되는 형태를 보였다(Fig.
- 이와 함께 엽록소-a의 M+3SD 범위는 N/P 비와 거의 유사한 분포를 보였다. 표층에서 채굴선박에서 약 2 km 이상 떨어진 정점 DG6에서 가장 높은 농도를 보였으며, 사방으로 약 2 km의 원형분포를 보였다. 중층에서는 매우 좁은 범위가 형성된 반면, 저층에서는 이런 범위가 넓게 확장되는 분포를 보였다(Fig.
후속연구
- 2004년 이후 EEZ 해역의 일부 해역(대부분 사방 1 km 장방형 구역)에 대한 연간 수 건의 바다모래 채굴 허가가 있었으나, 아직까지는 생태계에 대한 악영향을 정량적으로 판단하기에는 다소 자료가 부족한 것이 사실이다. 그럼에도 불구하고, 바다모래를 채굴하는 과정에서 발생하는 부유물질과 공극수에 함유된 비교적 고농도의 영양염, 중금속 및 유기물 등이 수층으로 확산되어 수질을 악화시킬 우려가 있으므로 생태계에 대한 본격적인 보고에 앞서 해수수질에 대한 조사가 반드시 필요한 시점이다.
- pH, ORP, 부유물질, 암모니움염은 모든 계절에서 수층별로 유의한 차이가 없었다. 따라서 이러한 계절적인 특징은 이 해역의 배경적인 특징이라고 볼 수 있고 이러한 사실을 바탕에 두고 바다 모래 채굴로 인한 영향을 판단해야 할 것이다.
- 셋째, 실제 바다 모래 채굴 작업과 동시에 현장에서 조사가 이루어졌다 하더라도, 시료 채집시 매 조사 시기마다 조류의 속도가 각각 다를 경우 바다모래 채굴의 영향 범위가 다르게 나타날 수 있을 것이다. 비록 매 조사시에 현장에서 조류의 속도는 관측되지 않았으나, 각 조사 시기의 월령으로부터 상대적인 조류의 속도는 비교할 수 있을 것이다(Table 1). 조류의 속도가 상대적으로 다른 조사 시기보다 컸을 것으로 예측되는 2005년 7월에 관측된 자료를 보면, ‘골재구역’에서 다른 조사 시기에 비해 높은 부유물질의 농도가 관측된 것은 이러한 추측을 뒷받침해준다.
- 지난 4년간의 광역조사와 집중조사를 통해 발견할 수 있었던 가장 중요한 사실은 바다모래 채굴의 영향을 일차적으로 민감하게 나타내는 수질인자는 부유물질, 암모니움염, 질산염 및 ORP 이며, 이로 인한 이차적인 효과가 높은 N/P 비율과 높은 엽록소-a 로 감지되었다는 점이다. 이 중 부유물질과 ORP는 부이와 자동 측정장비를 사용하여 원거리에서 자료를 얻을 수 있으므로 바다모래 채굴 해역에 대한 지속적인 모니터링에 매우 유용한 수질인자가 될 수 있을 것으로 생각된다.
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